Різниця між фон Нойманом та Гарвардською архітектурою

Існує два типи цифрових комп'ютерних архітектур, які описують функціональність та реалізацію комп'ютерних систем. Один - це архітектура Фон Неймана, розроблена відомим фізиком і математиком Джоном Фон Нойманом наприкінці 40-х років, а інша - Гарвардська архітектура, яка базувалася на оригінальному релейному комп'ютері на Гарварді Марка I, який використовував окремі системи пам'яті зберігати дані та інструкції.

Оригінальна архітектура Гарварду використовувала для зберігання інструкцій щодо перфорованої стрічки та даних в електромеханічних лічильниках. Архітектура Von Neumann є основою сучасних обчислень і її легше здійснити. У цій статті розглядаються дві комп'ютерні архітектури окремо і пояснюється різниця між ними.

Що таке архітектура Фон Ноймана?

Це теоретична конструкція, заснована на концепції комп'ютерів із збереженою програмою, де програмні дані та дані інструкцій зберігаються в одній пам'яті.

Архітектура була розроблена відомим математиком і фізиком Джоном Фон Нойманом в 1945 році. До концепції Вон Ноймана комп'ютерне проектування обчислювальні машини були розроблені з єдиною заздалегідь визначеною метою, що не матиме вишуканості через ручне перемикання схеми..

Ідея архітектури Von Neumann - це можливість зберігати інструкції в пам'яті разом з даними, за якими працюють інструкції. Коротше кажучи, архітектура Фон Неймана посилається на загальну основу, якої повинні слідувати апаратне забезпечення, програмування та дані комп'ютера.

Архітектура Von Neumann складається з трьох різних компонентів: центрального процесорного блоку (ЦП), блоку пам'яті та інтерфейсів вводу / виводу (вводу / виводу). Центральний процесор - це серце комп'ютерної системи, яке складається з трьох основних компонентів: Арифметично-логічного блоку (АЛУ), блоку управління (КУ) та регістрів.

АЛУ відповідає за виконання всіх арифметичних та логічних операцій над даними, тоді як блок управління визначає порядок потоку інструкцій, які необхідно виконати в програмах, видаючи керуючі сигнали на апаратне забезпечення.

Реєстри - це в основному місця тимчасового зберігання, які зберігають адреси інструкцій, які потрібно виконати. Блок пам'яті складається з оперативної пам'яті, яка є основною пам'яттю, що використовується для зберігання програмних даних та інструкцій. Інтерфейси вводу / виводу дозволяють користувачам спілкуватися із зовнішнім світом, наприклад пристроями зберігання даних.

Що таке Гарвардська архітектура?

Це архітектура комп'ютера з фізично окремими шляхами зберігання та сигналу для програмних даних та інструкцій. На відміну від архітектури Фон Ноймана, яка використовує одну шину для отримання інструкцій з пам'яті та передачі даних з однієї частини комп'ютера в іншу, Гарвардська архітектура має окремий простір пам’яті для даних та інструкцій.

Обидва поняття схожі за винятком того, як вони отримують доступ до спогадів. Ідея архітектури Гарварду полягає в тому, щоб розділити пам'ять на дві частини - одну для даних та іншу для програм. Умови були засновані на оригінальному релейному комп'ютері на Гарварді Марк I, який використовував систему, яка дозволила б одночасно виконувати і передачу даних, і набір інструкцій..

Реальні дизайни комп’ютерів у реальному світі фактично засновані на модифікованій гарвардській архітектурі і зазвичай використовуються в мікроконтролерах та DSP (Digital Signal Processing).

Різниця між фон Нойманом та Гарвардською архітектурою

Основи фон Ноймана та Гарвардська архітектура

Архітектура Фон Ноймана - це теоретичний комп'ютерний дизайн, заснований на концепції зберіганої програми, де програми та дані зберігаються в одній пам'яті. Концепція була розроблена математиком Джоном Фон Нойманом в 1945 році і в даний час є основою майже всіх сучасних комп'ютерів. Гарвардська архітектура базувалася на оригінальній релейній комп'ютерній моделі Harvard Mark I, яка використовувала окремі шини для даних та інструкцій.

Система пам'яті фон Ноймана та Гарвардська архітектура

В архітектурі Von Neumann є лише одна шина, яка використовується як для отримання інструкцій, так і для передачі даних, і операції повинні бути заплановані, оскільки вони не можуть бути виконані одночасно. Гарвардська архітектура, з іншого боку, має окремий простір пам'яті для вказівок та даних, який фізично розділяє сигнали та сховище для пам’яті коду та даних, що, в свою чергу, дає можливість одночасно отримувати доступ до кожної системи пам'яті.

Інструкція з обробки фон Ноймана та Гарвардської архітектури

В архітектурі Фон Ноймана процесорному блоку знадобиться два цикли годин, щоб виконати інструкцію. Процесор отримує інструкцію з пам'яті в першому циклі і розшифровує її, а потім дані беруть з пам'яті у другому циклі. У архітектурі Гарварду процесор може виконати інструкцію за один цикл, якщо є відповідні конвеєрні стратегії.

Вартість Фон Ноймана та Гарвардської архітектури

Оскільки в інструкціях та даних використовується одна і та ж шинна система в архітектурі Von Neumann, вона спрощує проектування та розробку блоку управління, що в підсумку зводить виробничі витрати до мінімуму. Розробка блоку управління в архітектурі Гарварда дорожча за попередній через складну архітектуру, що використовує дві шини для інструкцій та даних.

Використання фон Ноймана та Гарвардської архітектури

Архітектура Фон Ноймана в основному використовується на кожній машині, яку ви бачите, від настільних комп'ютерів та ноутбуків до високопродуктивних комп'ютерів та робочих станцій. Гарвардська архітектура - це досить нова концепція, що використовується в основному в мікроконтролерах та цифровій обробці сигналів (DSP).

Фон Нойман проти Гарвардської архітектури: Порівняльна діаграма

Короткий зміст фон Неймана проти Гарвардської архітектури

Архітектура Фон Ноймана схожа на гарвардську архітектуру, за винятком того, що вона використовує єдину шину для виконання як отримання інструкцій, так і передачі даних, тому операції повинні бути заплановані. Гарвардська архітектура, з іншого боку, використовує дві окремі адреси пам'яті для даних та інструкцій, що дає можливість одночасно подавати дані в обидві шини. Однак складна архітектура лише збільшує вартість розробки блоку управління проти нижчої вартості розробки менш складної архітектури Фон Ноймана, яка використовує єдиний об'єднаний кеш.